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CN104833566B - 用于测试材料系统的系统和方法 - Google Patents

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CN104833566B CN201510028585.2A CN201510028585A CN104833566B CN 104833566 B CN104833566 B CN 104833566B CN 201510028585 A CN201510028585 A CN 201510028585A CN 104833566 B CN104833566 B CN 104833566B
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Abstract

本发明涉及用于测试材料系统的系统和方法。该系统可包括：支撑结构，该支撑结构用于安装所述材料系统；以及电动机械装置，该电动机械装置可操作地连接至所述支撑结构；其中，所述电动机械装置向所述材料系统施加电动机械致力，并且电动机械致力在非常少的时间内，使得所述材料系统中发生与热应力引起材料位移等效的位移。

Description

用于测试材料系统的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及材料测试，更具体而言，涉及一种用于测试材料系统的系统和方法，其中采用机械位移循环替代借助热循环进行的材料效应的评测。
背景技术
由于环境应力，表面材料及其他终饰系统(finish system)，诸如涂层、附饰和/或紧固件界面，会在多种结构上发生开裂。终饰系统中产生的开裂会向底层结构扩展，从而形成容许湿气或其他环境成分进入的通道，这导致终饰系统及其所保护结构的功能退化和腐蚀。在很多场合中，必须测试材料系统(例如底层结构和终饰系统)的耐用性，以确保终饰系统能经受其所处的环境。材料系统的测试包括使底层结构和/或终饰系统经受热循环(例如，通常以相对较高的变化率在两个温度限值之间的循环)的过程。对材料系统进行温度循环，以确保在终饰系统的期望寿命内，即使不同材料系统的不同热膨胀系数或物理性质上的其他变化不匹配，也不会发生开裂。
例如，在航空工业中，用于铝和/或复合结构的终饰系统(例如，防护性涂层和/或紧固件界面)的质量必须足够高，以确保它们能在材料系统和/或终饰系统的整个寿命内足以防护底层结构(例如，飞行器)不受所处严苛环境的破坏。为此所设计的热循环测试，用于在整个设计寿命内模拟所经受的环境应力，其既费时又费钱。因此，难以对大量具有不同材料参数的潜在待选材料系统进行筛选而用于终饰系统。
此外，可利用环境腔室来对待选材料系统进行测试，该环境腔室重现了底层结构和终饰系统所经受的湿度和温度。操作环境腔室来筛选有效的潜在终饰系统则进一步增加了费用和时间。
例如，在材料系统的热筛选中，终饰系统的完全定性就要花上几个月的时间。其部分原因在于，许多终饰系统的多层特性，而且有大量参数需要考虑和优化。在选定待选材料系统之后，单独一个热循环(例如，足以使终饰系统膨胀和收缩的循环)就可能花上数个小时。多个热循环构成一个测试单元(例如，1个测试单元＝400个热循环)。有效地模拟待选材料系统(例如，底层结构和/或终饰系统的设计)的通用服务寿命，和/或在出现开裂之前，需要重复进行多个测试单元。
因此，采用传统的测试方法，即使进行一个潜在待选终饰系统的筛选也是耗时耗力的，而且成本也很高。
因此，本领域技术人员一直在材料测试领域、特别是在表面终饰系统的开裂测试领域内进行研究和开发。
发明内容
在一个方面中，本公开系统提供一种用于测试材料系统的系统，其包括：支撑结构，该支撑结构用于安装所述材料系统；以及电动机械装置，该电动机械装置可操作地连接至所述支撑结构；其中，所述电动机械装置向所述材料系统施加电动机械致力(electromechanical-induced force)，而且其中，所述电动机械致力在所述材料系统中引起位移，其中校准该电动机械致力，使其等效于热应力引起的位移。
1.根据一个方面，提供一种用于测试材料系统的系统，其包括：支撑结构，该支撑结构用于安装所述材料系统；以及电动机械装置，该电动机械装置可操作地连接至所述支撑结构，其中，所述电动机械装置向所述材料系统施加电动机械致力，使得所述材料系统中发生位移。
2.有利的是，所述位移是沿着至少一个正交方向的。
3.有利的是，所述电动机械装置包括压电转换器。
4.有利的是，所述系统还包括至少一个传感器，该传感器用于收集与所述材料系统的状况有关的信息。
5.有利的是，所述系统还包括处理器，该处理器用于分析与所述材料系统的所述状况有关的所述信息。
6.有利的是，所述系统还包括能够封闭的测试腔，其中，所述能够封闭的测试腔控制至少一个环境参数，并且所述支撑结构和所述材料系统定位在所述测试腔内。
7.有利的是，所述系统还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器定位在所述测试腔内，其中所述至少一个传感器收集与所述材料系统的状况有关的信息。
8.有利的是，所述至少一个传感器收集与所述测试腔内的环境状况有关的信息。
9.有利的是，所述系统还包括处理器，该处理器用于分析与所述材料系统的所述状况有关的信息以及与所述测试腔内的所述环境状况有关的信息。
10.有利的是，所述系统还包括控制器，该控制器与所述电动机械装置通信，其中，所述控制器控制所述电动机械致力的至少一个力参数。
11.有利的是，所述系统还包括至少一个材料支架，其中所述材料支架构成为与所述材料系统接合，且其中所述电动机械装置可操作地连接至所述材料支架。
12.有利的是，所述支撑结构包括第一材料支架和第二材料支架，所述第一材料支架和所述第二材料支架之间间隔开以限定一间隙，所述材料系统跨越所述间隙，并且所述压电转换器可操作地连接至所述第一材料支架和所述第二材料支架中的至少一个，以使所述第一材料支架和所述第二材料支架相对彼此进行位移。
13.有利的是，所述材料系统包括底层结构和限定了防护性涂层体系的至少一个涂层。
14.有利的是，所述材料系统包括底层结构和限定了紧固件交界体系的至少一个紧固件。
在另一方面中，公开了一种用于测试材料系统的方法，该方法可包括如下步骤：(1)将材料系统安装到支撑结构上，(2)向材料系统施加电动机械致力，其中所述电动机械致力引起所述材料系统的位移，以及(3)维持所述电动机械致力。
15.根据本公开的另一方面，提供一种用于测试材料系统的方法，该方法包括：向所述材料系统施加电动机械致力，其中，所述电动机械致力引起所述材料系统的位移；以及维持所述电动机械致力。
16.有利的是，所述维持步骤包括调节所述电动机械致力的至少一个力参数。
17.有利的是，所述方法还包括向所述材料系统施加至少一个环境参数。
18.有利的是，所述方法还包括在所述维持步骤中监控所述材料系统的状况。
19.有利的是，所述维持步骤包括在预定数量的循环内维持所述电动机械致力。
20.可选的是，其中所述维持步骤维持所述电动机械致力，直到所述材料系统中发生破坏。
21.有利的是，所述方法还包括在所述维持步骤之后接受所述材料系统和弃用所述材料系统二者中的至少一者。
通过以下的详细描述、附图以及权利要求将使用于测试材料系统的本发明系统和方法其他方面更加清楚。
附图说明
图1为材料系统的剖面中的热致应力和机械致应力的示例图；
图2为用于测试材料系统的本发明系统的一个实施方式的示意图；
图3为本发明系统的另一实施方式的示意图；
图4为本发明系统的另一实施方式的示意图；
图5为材料系统的一个实施例的示意图；
图6为用于测试图5的材料系统的本发明系统的示例性实施方式的示意图；
图7为图6的系统的俯视和前视立体图；
图8为图6的系统的俯视和前视立体图；
图9为材料系统的另一实施例的示意图；
图10为用于测试图9的材料系统的本发明系统的另一示例性实施方式的示意图；
图11为图10的系统的俯视和前视立体图；
图12为图10的系统的仰视和前视立体图；
图13为用于测试材料的本发明方法的一个实施方式的流程图；
图14为飞行器制造和维护方法的流程图；以及
图15为飞行器的框图。
具体实施方式
以下将参照示出了本公开各具体方面的附图作详细描述。具有不同结构和操作方式的其他实施方式也落入本公开的范围内。在各附图中，用相同的附图标记表示相同的元件或部件。
本发明意识到并考虑了以下因素：材料系统的热循环将导致差异化的膨胀(例如，热位移)，使得材料系统中产生应力。例如，热循环会导致材料系统产生“上下”运动(例如，在表面交界处或在紧固件的外周处)。这一由热位移引起的运动效应大体上等效于由可机械地重现的机械位移引起的运动效应。因此，材料系统的机械循环将导致材料系统发生机械位移，该机械位移产生的应力大体上等效于热位移在材料系统中产生的应力。
图1示出了在热位移(例如，由于热循环而引起的)和大致等效的机械位移(例如，由机械循环引起的)的作用下，材料系统的截面(例如，厚度截面)的Von Mises(VM)示例图150。示例图150示出了VM应力与任意单位(ARB单位)的截面距离之间的关系。
例如，线152表示经受了约为30K的温度变化(“DT”)以及约为10微米(um)的热位移的热循环的示例性材料系统的截面的VM应力。线154表示经受了约为120K的温度变化(“DT”)以及约为39微米(um)的热位移的热循环的示例性材料系统的截面的VM应力。线156表示经受了具有约为260K的温度(“T”)以及约为25微米的机械位移的机械循环的示例性材料系统的截面的VM应力。线158表示经受了具有约为260K的温度(“T”)以及约为35微米的机械位移的机械循环的示例性材料系统的截面的VM应力。
参照图2至图4，大体上用附图标记10表示的用于测试材料系统的本公开系统包括支撑结构12以及与该支撑结构12可操作地相连的一个或多个电动机械装置14。在本公开中，系统10也可指电动机械-定位系统。材料系统16可安装在支撑结构12上。电动机械装置14可包括适于向支撑结构12施加力从而使安装在支撑结构12上的材料系统16发生位移的任何机械装置、电子装置、电动机械装置或其组合。例如，电动机械装置14可施加电动机械致力，并使得材料系统16安装在其上的支撑结构12的至少一部分发生机械位移，从而使材料系统16发生位移。
因此，通过使材料系统16的至少一部分发生快速循环位移和/或变形，本公开系统10可用等效的机械循环测试代替热循环测试。例如，在测试操作中，可利用电动机械装置14(例如，以千赫兹(“kHz”)频率运行的压电转换器)使材料系统16在电动机械致力(例如，压电致力)的作用下发生循环位移，从而可在数秒内进行机械循环测试。
支撑结构12可包括至少两个材料支架18(分别用附图标记18a和18b表示)。材料支架18可彼此间隔开，以在其间限定间隙22，使得至少一个材料支架18可独立于任何其他的材料支架18运动。材料系统16的至少一部分可牢固的安装或通过其他方式与每个材料支架18的安装表面20相连(例如，可拆卸地相连)。材料系统16可延伸跨过间隙22。
每个材料支架18可连接至支撑基底24。在示例性结构中，所有的材料支架18都可连接至单个支撑基底24。在另一实施例中，每个材料支架18可以连接至其自身的支撑基底24。例如，在支撑基底24与材料支架18之间可延伸有一个或多个支撑连接器26。支撑基底24可安装到固定的安装基底28上。可选的是，每个材料支架18可直接安装到安装基底28(未示出)上。
至少一个电动机械装置14(分别表示为电动机械装置14a和电动机械装置14b)可连接至至少一个材料支架18上，以驱动材料支架18运动，从而向材料支架18施加电动机械致力，并使材料系统16发生位移和/或变形。例如，电动机械装置14可通过一个或多个接头30连接至材料支架18。接头30可使材料支架18相对于支撑基底24和/或支撑连接器26自由运动。电动机械装置14可使材料支架18沿着至少一个方向(例如，沿着X轴、Y轴和/或Z轴)运动。例如，电动机械装置14可使材料支架18沿着单根轴线运动或沿着多根轴线运动。
在一示例性实施方式中，电动机械装置14可使材料支架18沿着如方向箭头32所示的单个方向(例如沿着X轴)运动。在另一示例性实施方式中，电动机械装置14可使材料支架18沿着如方向箭头34所示的单个方向(例如沿着Y轴)运动。在另一示例性实施方式中，电动机械装置14可使材料支架18沿着如方向箭头36所示的单个方向(例如沿着Z轴)运动。在另一示例性实施方式中，电动机械装置14可使材料支架18沿着如方向箭头32、34、36所示的一个或多个方向(例如，沿着X轴、Y轴和/或Z轴中的一个或多个)运动。
在一个示例性实施方式中，电动机械装置14可以是压电转换器。该压电转换器可以是在所施加电压下发生变形(例如，弯曲和/或拉伸)的任何合适的装置。在压电转换器受到所施加电压的作用时，其可发生变形，并使材料支架18移动。压电转换器的变形以及材料支架18的位移与所施加的电压成比例。因此，压电转换器可起到压电致动器的作用，该压电致动器构造为可在一个或多个正交方向上(例如，沿着X轴、Y轴和/或Z轴中的一个或多个)对材料支架18进行定位和/或调节材料支架18的位置。
压电转换器也可起到压电传感器的作用，其构造为测量施加到压电转换器上的力的大小。在压电转换器受到应力或力的作用时，例如，材料系统16向材料支架18施加力时，其产生与所施加的力的大小成比例的电势或电压。
在该电动机械装置14的示例性实施例中，压电转换器可在约1Hz到100kHz的范围内运行。在另一示例性实施方式中，压电转换器可在约1kHz到100kHz的范围内运行。在又一示例性实施方式中，压电转换器可在约10kHz到50kHz的范围内运行。
在另一示例性实施方式中，电动机械装置14可为音圈(例如，包括线圈架、卡箍和绕组)以及磁体(例如，永磁体)。音圈可通过磁场与穿过磁场的电流的相互作用而向材料支架18提供运动力(例如，电动机械致力)。通过使电流流动通过音圈，可产生磁场。该磁场可使音圈与永磁体产生的磁场相互作用，从而使材料支架18和材料系统16运动。例如，音圈可用作产生力并且移动一段距离的线性电机。
在另一示例性实施方式中，电动机械装置14可为电机(例如，电动机)。电机可包括适于将来自电机的旋转运动转化为线性力(例如，电动机械致力)以使材料支架18和材料系统16运动(例如，沿着X轴、Y轴和/或Z轴中的一个或多个)的任何合适的机械装置。例如，电机可包括可操作地接合在电机与材料支架18之间的活塞、偏心轮等。
也可设想其他的适于向材料支架18施加电动机械致力以足以使材料系统16发生位移的电动机械装置14。
参照图2，在本公开系统10的一个方面中，至少一个电动机械装置14可操作地连接至第一材料支架18a。相对的第二材料支架18b可以是静止的(例如，刚性地连接至支撑基底24)。材料系统16可连接在材料支架18a和材料支架18b之间，并可跨越限定在材料支架18a、18b之间的间隙22。
电动机械装置14可电连接有控制器38。控制器38可向电动机械装置14提供能量，并可控制和/或调节电动机械装置14的幅值和/或频率(例如，电动机械致力)，并因此控制第一材料支架18a相对于第二材料支架18b的位移和/或正交运动方向(例如，沿着X轴、Y轴和/或Z轴)。
参照图3，在本公开系统10的另一方面中，第一材料支架18a可操作地连接有至少一个电动机械装置14a，并且第二材料支架18b可操作地连接有至少一个电动机械装置14b。材料系统16可连接在材料支架18a、18b之间，并且可跨越限定在材料支架18a、18b之间的间隙22。
控制器38可电连接至电动机械装置14a、14b。控制器38可向电动机械装置14a、14b提供能量，并可控制和/或调节电动机械装置14a、14b的幅值和/或频率，并因此分别控制第一材料支架18a和/或第二材料支架18b的位移和/或正交运动方向(例如，沿着X轴、Y轴和/或Z轴)。
在一个示例性结构中，单个控制器38可以与电动机械装置14a、14b通信，电动机械装置14a、14b与第一材料支架18a和第二材料支架18b二者相关联。在另一示例性结构中，分离的控制器可以与和第一材料支架18a相关联的电动机械装置14a通信，并且另一分离的控制器(未示出)可以与和第二材料支架18b相关联的电动机械装置14b通信。
在用于测试材料系统16的一个示例性方法中，在不同的幅值和频率下，电动机械装置14可使材料支架18和材料系统16在约1微米到约200微米之间进行位移(例如，通过电动机械致力)。在另一实施例中，电动机械装置14可使材料支架18和材料系统16在约25微米到约100微米之间进行位移。在另一实施例中，电动机械装置14可使材料支架18和材料系统16在约25微米到约40微米之间进行位移。
第一材料支架18a和/或第二材料支架18b相对于彼此的位移可机械地使材料系统16的第一部分16a相对于材料系统16的第二部分16b进行位移，并在材料系统16中产生应力。这些机械位移和应力可大致等效于热循环引起的热位移和应力，如图1所示。
参照图4，在本公开系统10的另一方面中，可将支撑结构12和材料系统16封闭在测试腔40内。该测试腔40可以是任何的限定了内部容积44的可密封壳体，该内部容积44适于在机械循环测试中对材料系统16的给定环境条件和/或参数进行测试。例如，测试腔40可控制各种环境测试参数，包括但不限于：温度、压力、湿度等。
测试腔40可电连接有控制器42，以控制内部容积44内的环境条件、接收有关内部容积44内的环境条件的信息和/或有关测试过程中环境条件的信息。内部容积44可操作地连接有一个或多个传感器46，用于监控环境条件并将环境信息发送到控制器42。例如，传感器46可包括但不限于温度传感器、压力传感器和/或湿度传感器。
控制器42可包括处理器48，其用于处理由传感器46收集到的环境信息。内部容积44内的环境条件可例如由处理器48自动地控制和/或改变，或者通过用户界面50由操作者手动地控制。可例如通过用户界面50将环境信息展示给操作者。
可安装传感器52，来监控机械循环测试过程中材料系统16的状况。如图2和图3所示，传感器52可定位在材料系统16的表面56附近。如图4所示，传感器52可定位在测试腔40内。例如，传感器52可为光探测器或高速摄像机。
传感器52可电连接有控制器54，以控制传感器52、接收有关材料系统16的状况的信息(例如，材料系统16的表面56)，并且/或者在测试过程中处理有关材料系统16的状况的信息(例如，材料系统16的表面56中出现了开裂)。控制器54可包括用于处理传感器52收集到的状况信息(例如，可视图像)的处理器58。可例如通过显示器60将状况信息展示给操作者。
参照图5和图9，材料系统16可包括各种材料系统和/或终饰系统。例如，材料系统16可包括各种材料、涂层、紧固件等的不同组合和/或结构。
参照图5，在一个示例性实施方式中，材料系统16可包括涂布至底层结构66的表面64上的防护性涂层体系62。底层结构66可包括各种材料。例如，底层结构66可包括但不限于铝、钛、铜、金属合金、复合物、玻璃纤维、热塑性塑料(例如，聚醚醚酮(PEEK))等及其组合。底层结构66可包括单个基底层68，或者可包括呈叠置结构的多层基底层68、68′。
防护性涂层体系62可包括多种涂层材料。例如，防护性涂层体系62可包括但不限于：密封剂、底漆、涂料等及其组合。防护性涂层体系62可包括单个涂层74，或可包括呈层叠结构的多个涂层74、74′、74″。
在图5所示的示例性结构中，底层结构66可包括由间隙70分隔开的两个相邻组72的一个或多个基底层68、68′。防护性涂层体系62可施加至每组72的覆盖了间隙70的顶表面64上。间隙70的尺寸D可根据测试参数而变化。例如，间隙70的尺寸D可根据被测试的特定防护性涂层体系62而增加或减小。在另一示例性结构(未示出)中，底层结构66可包括单个组72的一个或多个基底层68、68′(例如，不存在间隙70)。防护性涂层体系62可施加至该组72的顶表面64上。
参照图6，在本公开系统10的一个示例性实施方式中，支撑结构12可构成为对防护性涂层体系62进行机械测试。底层结构66可连接至材料支架18并在材料支架18之间延伸，该材料支架跨越间隙22。设置在基底层68的相邻组72之间的间隙70可与设置在相邻材料支架18之间的间隙22沿轴向对齐。间隙70的尺寸D(图5)可等于或小于间隙22的尺寸。
可通过任何合适的方式将底层结构66连接至材料支架18。在一个示例性结构中，底层结构66可包括一个或多个支柱76，该支柱76可插入地连接在设置成至少部分地穿过材料支架18的一个或多个通孔78内。例如，基底层68的每个组72可包括至少一个支柱76，该支柱76从基底层68的与涂布有防护性涂层体系62的表面相对的表面延伸。每一材料支架18都可包括至少一个通孔78，其位于用于容纳连接至材料支架18的基底层68的相关组72的对应支柱76的位置处。
在对材料系统16进行机械测试操作的过程中，电动机械装置14可使材料支架18在一个或多个正交方向上发生循环(例如，快速循环)位移。材料支架18的位移可被传递至基底层68的组72，并且向材料系统16施加电动机械致力，从而使基底层68绕由基底层68的相邻边缘80(例如，限定了间隙70的边缘80)限定的线82(图7和图8)移动。基底层68的相邻组72的位移可在防护性涂层体系62(例如，涂层74)中产生应力。
参照图7和图8，在一个通用但非限定性的实施例中，支撑结构12和电动机械装置14(图7和图8中未示出)可集成为测试组件84。可将一对测试组件84安装到安装基底28上，使得每个测试组件84的材料支架18彼此靠近，在其间限定间隙22。在一个特定但非限定的实施例中，测试组件84可为市售的单轴或多轴压电定位系统，例如，麻省Auburn的PI(物理仪表)L.P.的XYZ Piezo Stage。
如图7和图8所示，材料系统16(例如，图5和图6所示和所述的材料系统16)可例如通过支柱76和通孔78的交界而连接至各个测试组件84的材料支架18。每个测试组件84可使材料支架18如方向箭头32、34、36所示的那样沿着一个或多个正交方向运动，以使底层结构66(例如，基底层68的相邻组72)绕间隙70位移，并在防护性涂层体系62(例如涂层74)中产生应力。
参照图9，在另一个示例性实施方式中，材料系统16可包括连接至底层结构88的紧固件86，从而形成紧固件交界体系90。底层结构88可包括多种材料中的任意一种。例如，底层结构88可包括，但不限于：铝、钛、铜、金属合金、复合物、玻璃纤维、热塑性塑料(例如，聚醚醚酮(PEEK))等及其组合。底层结构88可包括单个基底层92，或者可包括呈叠置结构的多层基底层(未示出)。
紧固件交界体系90可包括多种紧固件86和底层结构88构造。例如，紧固件86可包括头部94和杆部96。底层结构88(例如，一个或多个基底层92)可包括构造成容纳杆部96的通孔98。该通孔98可包括钻入底层结构88的表面102中从而可容纳头部94的埋头孔100(或沉孔)。紧固件86(包括杆部96和头部94)可相对于通孔98和/或埋头孔100滑动和/或以其他方式运动。在一个示例性结构中，通孔98可构造成容纳杆部96(例如，镗出的光滑通孔)，而且杆部96的穿过底层结构88的端部可连接有连接器(例如，螺母)(未示出)。
紧固件交界体系90可具有各种特性，包括但不限于：紧固件86的尺寸、紧固件86的类型、紧固件86的材料组分、底层结构88的材料组分、通孔98和杆部96之间的公差、埋头孔100和头部94之间的公差，等等。
参照图10，在本公开系统10的一个示例性实施方式中，支撑结构12可构造成为对紧固件交界体系90进行机械测试。底层结构88可连接至一个材料支架18，且紧固件86可连接至另一个材料支架18，使得底层结构88和紧固件86在材料支架18之间延伸，跨越间隙22。
底层结构88和紧固件86可通过任何合适的方式连接至材料支架18。在一个示例性结构中，底层结构88可包括一个或多个支柱104，该支柱104可插入地连接在布置成至少部分穿过相关材料支架18的一个或多个凹槽106内。相对的材料支架18可包括夹具108，该夹具构成为与穿过底层结构88的杆部96的至少一部分接合。例如，夹具108可以是构成为夹住杆部96的可调节夹持机构。在另一个实施例中，夹具108可包括构成为与杆部96可接合地配合的通孔。
在对材料系统16进行机械测试操作的过程中，电动机械装置14可在一个或多个正交方向上使材料支架18发生循环(例如，快速循环)位移。材料支架18的位移可传递至一个或两个底层结构88(例如，基底层92)和/或紧固件86，并使底层结构88和紧固件相对于彼此绕通孔98和埋头孔100进行位移。底层结构88和紧固件86相对于彼此的位移将在紧固件交界体系90中(例如，紧固件86与底层结构88之间)产生应力。
参照图11和图12，在一个通用但非限定的实施例中，可将支撑结构12和电动机械装置14(图11和图12中未示出)集成为测试组件110。在安装基底28上可安装一对测试组件110，使得每个测试组件110的材料支架18合适地定位，以保持底层结构88和紧固件86。在一个特定的非限定实施例中，测试组件110可为市售的单轴或多轴压电定位系统，例如，麻省Auburn的PI(物理仪表)L.P.的XYZ Piezo Stage。
如图11和图12所示，材料系统16(例如，图9和图10所示和所述的材料系统16)可连接至每个测试组件110的材料支架18。例如，支柱104可连接在一个测试组件110的材料支架18的凹槽106(图10)内，并且相对的测试组件110的材料支架18的夹具108可连接至紧固件86。每个测试组件84可使材料支架18如方向箭头32、34、36所示的那样沿着一个或多个正交方向运动，从而使底层结构88(例如，基底层92)和紧固件86相对彼此运动，并在紧固件交界体系90内产生应力。
参照图13，用于测试材料的附图标记为200的本公开方法的一个方面开始于模块202，其提供一个或多个待选材料系统。例如，待选材料系统可包括图5所示和所述的材料系统16，或者图9所示和所述的材料系统16。
待选材料系统可通过设置一系列的材料(例如，图5所示和所述的防护性涂层体系62或者图9所示和所述的紧固件交界体系90)而得。该体系可包括各种材料参数，包括但不限于：体系中含有的每种材料的几何形状、材料组分、尺寸(例如，厚度)、热容量、热容、密度、热膨胀系数、热导率、杨氏模量、泊松比等。
如模块204所示，可产生待选材料系统的虚拟模型，并对其加以测试，以测试对待选材料系统的各种条件(例如，动态力和/或环境条件)的响应。例如，可通过有限元分析工具软件对待选材料系统进行热力学建模和/或力学建模。
如模块206所示，如果针对待选材料系统的虚拟模型的虚拟测试表明待选材料系统在给定测试参数下(例如，在类似于材料系统在运行过程中将要经受的条件下)有良好的表现(例如，由热位移和/或机械位移引起的应力不会导致待选材料系统的破坏)，则如模块208所示可制造待选材料系统的物理模型。如果针对待选材料系统的虚拟模型的虚拟测试表明待选材料系统在给定测试参数下不会有良好的表现(例如，由热位移和/或机械位移引起的应力导致待选材料系统的破坏)，则如模块210所示弃用该待选材料系统，并如模块212所示，通过改变体系中的一个或多个材料参数来提供另一待选材料系统。
可按照模块204至模块206所示的方法步骤处理随后的具有不同体系参数的待选材料系统，直到待选材料系统被接受为止。
如模块208所示，可构建该待选材料系统的物理模型。如模块214所示，可向该待选材料系统的物理模型施加电动机械致力(例如，动态力)。例如，可采用诸如图2至图12所示和所述的系统10的单轴或多轴电动机械定位系统(例如，压电定位系统、音圈定位系统、电机定位系统等)对待选材料系统的物理模型进行测试。电动机械定位系统可使待选材料系统的物理模型的至少一部分相对于其另一部分发生机械循环位移。例如，电动机械定位系统可以正弦波或任何波形结构的方式施加电动机械致力(例如，压电致力)。
如模块216所示，可调节和/或改变电动机械致力的至少一个力参数。例如，可在对待选材料系统的物理模型进行机械循环的过程中参数化地改变位移幅值、相位、频率、间隙膨胀(例如，间隙22和/或间隙70)、多轴正交位移和其他变量。
如模块218所示，可向待选材料系统运用至少一个环境参数(例如，温度、压力和/或湿度)。例如，可在例如如图4所示和所述的测试腔中对电动机械定位系统以及待选材料系统的物理模型进行机械测试。
如模块220所示，在对待选材料系统的物理模型进行机械循环的过程中可调节和/或改变一个或多个环境参数(例如，温度、压力和/或湿度)。
如模块222所示，可维持施加到待选材料系统的物理模型上的电动机械致力，以使待选材料系统的物理模型发生位移。例如，可在预定数量的机械位移循环(例如，测试单元)内维持电动机械致力不变。在另一实施例中，可一直维持电动机械致力直到材料系统中发生破坏(例如，开裂)为止。如模块216和模块212所示，可在测试单元的过程中调节和/或改变力参数和/或环境参数。
如模块224所示，可在预定数量的机械位移循环内对待选材料系统的物理模型进行监控。例如，可通过诸如图2至图4所示的传感器52的一个或多个传感器来监控待选材料系统的物理模型。
维持、调节和/或改变力参数和/或环境参数并且在电动机械致力的作用下使待选材料的物理模型经受恒定和/或变化的运动，可产生破坏(例如，开裂)。
如模块226所示，如果在例如预定数量的机械位移循环中，待选系统的物理模型中发生实现(例如，开裂)的话，则可如模块228所示弃用待选材料系统(例如，未选定的待选材料系统)，并如模块212所示，通过参数化地改变体系的一个或多个材料参数来提供另一待选材料系统。
可按照模块204至模块226所示的方法步骤处理随后的具有不同体系参数的待选材料系统，直到待选材料系统被接受为止。
如模块230所示，如果在例如预定数量的机械位移循环中，待选材料系统的物理模型中未发生破坏的话，则该待选材料系统可被接受作为所选待选材料系统。
如模块232所示，可针对该所选待选材料系统的物理模型进行全热循环测试操作。
因此，本公开方法200可显著加快待选材料系统在进行全热循环测试操作之前的材料性能评测(例如，借助于裂缝扩展)。
因此，用于材料测试的本公开系统10和方法200可通过采用快速循环(例如，kHz的频率)的电动机械装置(例如，压电转换器、音圈、电机等)的机械驱动位移来替代热膨胀。这样，与采用热循环方法需要若干天相比，可在几分之一秒的时间内完成测试单元(例如，一定数量的变形循环)。
本公开的实施例可用于如图14所示的飞行器制造和维护方法300，以及如图15所示的飞行器302中。在预制造中，飞行器制造和维护方法300可包括飞行器302的选型和设计304，以及材料采购306。在制造过程中，需要进行飞行器312的部件/组件制造308和系统集成310。之后，飞行器302将进行定型和交付312，从而可进入服役314。在面向客户的服役期间，飞行器302要进行常规的维修和维护316，这也可能包括改型、重构、更新等。
方法300中的每一步骤都可由系统集成商、第三方和/或操作者(例如，客户)来进行。为便于描述起见，系统集成商可包括但不限于，任何数量的飞行器制造商、大系统分包商；第三方可包括但不限于任何数量的卖方、分包商和供应商；而操作者可以是航空公司、租赁公司、军方、服务机构等。
如图15所示，由示例方法300制造的飞行器302可包括具有多个系统320和内部322的机身318。所述多个系统320的示例包括一个或多个推进系统324、电气系统326、液压系统328、环境系统330。也可包括任何数量的其他系统。尽管所示的以航空为例，但是本公开系统10和方法200的原理可应用到诸如汽车、石油的其他工业门类，或者运用到任何其他的需要在极端环境下运行的工业门类中。
可在制造和维护方法300中的任何一个或多个阶段采用本文所述的设备和方法。例如，可采用本公开系统10(图2至图12)和方法200(图13)来制造或生产对应于部件/组件制造308、系统集成310和/或维修和维护316的部件或子组件。而且，在部件/组件制造308和/或系统集成310的过程中可采用一种或多种设备实施例、方法实施例或其组合，以例如极大地加快诸如机身318和/或内部322的飞行器302的组装，并降低其成本。同样的，在飞行器302服役(例如且不限于)以至于维修和维护316期间，可采用一种或多种设备实施例、方法实施例或其组合。
尽管已经示出和描述了本公开系统和方法的各个方面，但是本领域技术人员在阅读本公开之后可进行改型。本申请包括这样的改型，且其范围仅由权利要求限定。

Claims (17)

1.一种用于测试材料系统的系统，该系统包括：
支撑结构，该支撑结构用于安装所述材料系统，所述支撑结构包括第一材料支架和第二材料支架，所述第一材料支架和所述第二材料支架的上表面均为安装表面，所述材料系统的至少一部分与所述第一材料支架和所述第二材料支架的所述安装表面相连，所述第一材料支架和所述第二材料支架间隔开以在所述第一材料支架和所述第二材料支架之间限定间隙，所述材料系统跨越所述间隙；以及
电动机械装置，该电动机械装置以能够操作的方式连接至所述第一材料支架和所述第二材料支架中的至少一者，以使所述第一材料支架和所述第二材料支架相对于彼此进行位移，
其中，所述电动机械装置向所述材料系统施加电动机械致力，以使所述材料系统中发生位移。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述位移沿着至少一个正交方向。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电动机械装置包括压电转换器。
4.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括用于收集与所述材料系统的状况有关的信息的至少一个传感器。
5.根据权利要求4所述的系统，该系统还包括处理器，该处理器用于分析与所述材料系统的所述状况有关的所述信息。
6.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括能够封闭的测试腔，其中，所述能够封闭的测试腔控制至少一个环境参数，并且，所述支撑结构和所述材料系统定位在所述测试腔内。
7.根据权利要求6所述的系统，该系统还包括定位在所述测试腔内的至少一个传感器，其中所述至少一个传感器收集与所述材料系统的状况有关的信息。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述至少一个传感器收集与所述测试腔内的环境状况有关的信息。
9.根据权利要求8所述的系统，该系统还包括处理器，该处理器用于分析与所述材料系统的所述状况有关的所述信息以及与所述测试腔内的所述环境状况有关的所述信息。
10.根据权利要求1所述的系统，该系统还包括控制器，该控制器与所述电动机械装置通信，其中，所述控制器控制所述电动机械致力的至少一个力参数。
11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述材料系统包括底层结构和限定了防护性涂层体系的至少一个涂层，或者包括底层结构和限定了紧固件交界体系的至少一个紧固件。
12.一种用于使用根据权利要求1所述的系统测试材料系统的方法，该方法包括：
向所述材料系统施加电动机械致力，其中，所述电动机械致力使所述材料系统中发生位移；以及
维持所述电动机械致力。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述维持步骤包括调节所述电动机械致力的至少一个力参数。
14.根据权利要求12所述的方法，该方法还包括向所述材料系统施加至少一个环境参数。
15.根据权利要求12所述的方法，该方法还包括在所述维持步骤中监控所述材料系统的状况。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，所述维持步骤包括在预定数量的循环中或到所述材料系统中发生破坏为止一直维持所述电动机械致力。
17.根据权利要求12所述的方法，该方法还包括在所述维持步骤之后接受所述材料系统以及弃用所述材料系统二者中的至少一者。
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